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應用領域 

金屬製造

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砂芯製造

本篇關於砂芯製造的文章由 Dr.Matthias Todte 以及 Frieder Semler(Flow Science 德國分公司)提供

隨著對鑄件品質的要求以及薄壁鑄件的需求越來越高,幾何複雜的砂芯需求也越來越多。本文說明如何利用數值模擬射砂製程,並且為砂芯製作建立最佳化條件。

關於射砂、排氣,乾燥及回火的基本製程模擬的討論之後,則進行實驗驗證。最後以一個實際案例說明如何利用數值模擬預測砂芯的磨耗及使用壽命。

砂芯製程模擬

射砂

射砂過程中,利用加壓空氣推動裝滿砂粒的吹頭,讓由空氣/砂子/粘合劑混合物組成的“流體”從吹頭通過噴嘴流入芯盒,再通過排氣噴嘴排出盒內的空氣。射砂的目標在於盡可能的提高箱內的砂粒密度分佈,同時盡可能的讓砂粒均勻分布。可以改變的參數包含了射擊壓力以及射砂/排氣噴嘴的數量和位置。為了節省時間和金錢,希望盡可能少地使用噴嘴而不犧牲砂芯的質量。

可以使用模擬分析射砂和排氣噴嘴的不同配置,得知其對砂粒密度分佈的影響。結果中預測的射砂速度和剪切應力則可以讓工程師確認磨損較大的位置,進而得出能夠得出磨損的結論,從而得出芯盒的壽命

加氣硬化

當採用有機黏合劑製程時,射砂製程時砂粒內包覆著有機樹脂,該樹脂的硬化則是通過氣態試劑(通常是胺)完成的,氣態試劑通常通過用於射砂的噴嘴注入。充氣時間必須足夠使氣體能夠到達砂芯的每個部分,以確保砂芯的各個部分都被硬化。另一方面,為了節省氣體,充氣不應超過必要的時間。

數值模擬顯示了砂心中胺濃度隨著時間經歷的分佈變化,這相當於砂芯核心的硬度。這讓工程師能夠判斷充氣時間是否合理。

烘乾

越來越多的鑄件,會改以無機水基粘合劑體系代替有毒的有機黏合劑體系。除了無排放核心生產製程的優勢外,應用無機水機黏合劑還可降低鑄造過程中的核心氣體,從而提高鑄件品質。

為了讓砂芯硬化,必須從砂芯中除去水,這通常通過注入熱空氣來完成。對於這些粘合劑而言,砂芯中的殘餘水分是硬度的量度。數值模擬不僅需要模擬通過砂芯的空氣流動,還要模擬水或蒸汽的蒸發和冷凝以及蒸汽與熱空氣的傳輸。

下圖顯示了預測殘餘水分與真實核心強度的相關性。

芯盒的回火

在某些砂芯製造製程中,例如熱芯盒和覆膜砂(Croning),砂芯的硬化是通過粘合劑在加熱的芯盒中完成熱反應以達成。芯盒的加熱則是透過加熱通道和電加熱元件進行。此時砂芯的品質需要芯盒提供均勻的溫度分佈。數值模擬能夠預測芯盒內加熱元件的配置隨著時間變化的溫度分佈,並且提供了加熱是否均勻以及是否能夠達到所需溫度之預測。

吹砂模型驗證

水套砂芯的實驗羽模擬

射砂實驗在慕尼黑工業大學鑄造研究所進行,製程參數則調整了射砂時間及壓力、入口位置以及排氣口的數量等。利用這些參數分析其對於砂芯品質的影響。實際砂芯中缺陷的發生與模擬中低砂密度的分佈如下圖所示。

吹砂模型應用

提高後軸箱殼的鑄件品質

QC驗證檢測到後軸箱殼體中的鑄造缺陷(見下圖)。這些缺陷似乎是砂芯表面缺陷造成的結果。利用數值模擬模驗證,確認了該缺陷的形成原因,並且建議改善砂芯表面品質的措施。最後,通過芯箱排氣口的不同配置(數量和位置),進而改善砂芯,並且改善鑄件品質。

研究計畫: 預測芯盒壽命

芯盒大多由鋁製成,並帶有聚氨酯樹脂塗層。在射砂過程中砂粒對芯盒表面的侵蝕是芯盒壽命的主要影響因素。研究計畫包含了分析侵蝕過程,了解表面處理對壽命的影響以及計算數值模擬模型的發展,該數值模擬模型允許在單次模擬中預測由大量射砂造成的侵蝕。

一個通用的芯盒(見下文)是用不同形狀的入子組立而成。

數值模擬模型根據芯箱承受的壓力與剪切力的空間和時間積分得出侵蝕量。模型預測的侵蝕量與實驗值非常一致(見下圖)。